Menu Sluiten

Mariene chronometer

De mariene “Chronometer” van Jeremy Thacker maakte gebruik van gimbals en een vacuüm in een stolp.

Volgende informatie: Geschiedenis van de lengtegraad

Om een positie op het aardoppervlak te bepalen, is het noodzakelijk en voldoende om de breedtegraad, de lengtegraad en de hoogte te kennen. Voor schepen die op zeeniveau varen, kan de hoogte uiteraard worden verwaarloosd. Tot het midden van de jaren 1750 was nauwkeurige navigatie op zee buiten het zicht van land een onopgelost probleem vanwege de moeilijkheid om de lengtegraad te berekenen. Navigators konden hun breedtegraad bepalen door de hoek van de zon op het middaguur te meten (d.w.z. wanneer de zon haar hoogste punt aan de hemel bereikte, of culminatie) of, op het noordelijk halfrond, de hoek van Polaris (de Poolster) vanaf de horizon te meten (meestal tijdens de schemering). Om hun lengtegraad te bepalen hadden ze echter een tijdstandaard nodig die aan boord van een schip zou werken. Observatie van regelmatige hemelbewegingen, zoals Galileo’s methode gebaseerd op het observeren van Jupiters natuurlijke satellieten, was gewoonlijk niet mogelijk op zee vanwege de bewegingen van het schip. De methode van de maanafstanden, aanvankelijk voorgesteld door Johannes Werner in 1514, werd parallel met de zeechronometer ontwikkeld. De Nederlandse wetenschapper Gemma Frisius was de eerste die in 1530 voorstelde een chronometer te gebruiken om de lengtegraad te bepalen.

Het doel van een chronometer is nauwkeurig de tijd te meten van een bekende vaste plaats, bijvoorbeeld Greenwich Mean Time (GMT). Dit is bijzonder belangrijk voor de navigatie. Als een navigator de GMT op het plaatselijke middaguur kent, kan hij het tijdsverschil tussen de positie van het schip en de Greenwich-meridiaan gebruiken om de lengtegraad van het schip te bepalen. Aangezien de aarde in een regelmatig tempo ronddraait, kan het tijdsverschil tussen de chronometer en de plaatselijke tijd van het schip worden gebruikt om de lengtegraad van het schip ten opzichte van de Greenwich-meridiaan (gedefinieerd als 0°) te berekenen met behulp van sferische trigonometrie. In de moderne praktijk stellen een zeevaardersalmanak en trigonometrische gezichtsreductietabellen navigators in staat de zon, de maan, zichtbare planeten, of een van de 57 geselecteerde sterren voor navigatie te meten op elk moment dat de horizon zichtbaar is.

Het maken van een uurwerk dat op zee betrouwbaar zou werken, was moeilijk. Tot in de 20e eeuw waren de beste tijdmeters slingerklokken, maar zowel het slingeren van een schip op zee als de tot 0,2% variërende zwaartekracht van de aarde maakten een eenvoudige op zwaartekracht gebaseerde slinger zowel in theorie als in de praktijk onbruikbaar.

Eerste voorbeeldenEdit

Henry Sully (1680-1729) presenteerde in 1716 een eerste zeechronometer

Christiaan Huygens, deed, na zijn uitvinding van het slingeruurwerk in 1656, de eerste poging tot een zeechronometer in 1673 in Frankrijk, onder het sponsorschap van Jean-Baptiste Colbert. In 1675 vond Huygens, die een pensioen ontving van Lodewijk XIV, een chronometer uit die voor de regeling gebruik maakte van een balanswiel en een spiraalveer, in plaats van een slinger, waarmee hij de weg vrijmaakte voor zeechronometers en moderne zakhorloges en polshorloges. Hij verkreeg een octrooi voor zijn uitvinding van Colbert, maar zijn klok bleef onnauwkeurig op zee. Huygens’ poging in 1675 om een Engels octrooi te krijgen van Charles II stimuleerde Robert Hooke, die beweerde jaren eerder een veer-aangedreven klok te hebben bedacht, om te proberen er een te produceren en te octrooieren. In 1675 leverden Huygens en Hooke elk twee van dergelijke apparaten aan Charles, maar geen ervan werkte goed en Huygens noch Hooke kregen een Engels octrooi. Het was tijdens dit werk dat Hooke formuleerde wat bekend staat als de Wet van Hooke.

John Harrison’s H1 marine chronometer van 1735

Het eerste gepubliceerde gebruik van de term was in 1684 in Arcanum Navarchicum, een theoretisch werk van de Kielse hoogleraar Matthias Wasmuth. Dit werd gevolgd door een verdere theoretische beschrijving van een chronometer in werken die in 1713 werden gepubliceerd door de Engelse wetenschapper William Derham. Derham’s hoofdwerk, Physico-theology, or a demonstration of the being and attributes of God from his works of creation, stelde ook het gebruik van vacuüm-verzegeling voor om een grotere nauwkeurigheid in de werking van klokken te verzekeren. Pogingen om een werkende zeechronometer te construeren werden begonnen door Jeremy Thacker in Engeland in 1714, en door Henry Sully in Frankrijk twee jaar later. Sully publiceerde zijn werk in 1726 met Une Horloge inventée et executée par M. Sulli, maar noch zijn noch Thacker’s modellen waren in staat om het rollen van de zee te weerstaan en de tijd nauwkeurig bij te houden in scheepsomstandigheden.

Tekeningen van Harrison’s H4 chronometer uit 1761, gepubliceerd in The principles of Mr Harrison’s time-keeper, 1767.

In 1714 loofde de Britse regering een prijs uit voor een methode om de lengtegraad op zee te bepalen. De prijzen varieerden van £10.000 tot £20.000 (£2 miljoen tot £4 miljoen in 2021), afhankelijk van de nauwkeurigheid. John Harrison, een timmerman uit Yorkshire, diende in 1730 een project in en voltooide in 1735 een klok gebaseerd op een paar contra-oscillerende verzwaarde balken verbonden door veren waarvan de beweging niet werd beïnvloed door de zwaartekracht of de beweging van een schip. Zijn eerste twee zeeuurwerken H1 en H2 (voltooid in 1741) gebruikten dit systeem, maar hij realiseerde zich dat ze een fundamentele gevoeligheid voor de middelpuntvliedende kracht hadden, waardoor ze op zee nooit nauwkeurig genoeg konden zijn. De bouw van zijn derde machine, H3 genaamd, in 1759 omvatte nieuwe cirkelvormige balansen en de uitvinding van de bi-metalen strip en kooirollagers, uitvindingen die nog steeds op grote schaal worden gebruikt. De cirkelvormige balansen van H3 bleken echter nog steeds te onnauwkeurig en uiteindelijk liet hij de grote machines achterwege.

Ferdinand Berthoud’s marine chronometer no.3, 1763

Harrison loste de precisieproblemen op met zijn veel kleinere H4 chronometerontwerp in 1761. H4 leek veel op een groot zakhorloge met een diameter van 12 cm (vijf inch). In 1761 stuurde Harrison de H4 in voor de 20.000 pond lengtegraadprijs. Zijn ontwerp maakte gebruik van een snel kloppend balanswiel dat werd aangestuurd door een spiraalveer met temperatuurcompensatie. Deze kenmerken bleven in gebruik totdat stabiele elektronische oscillatoren het mogelijk maakten zeer nauwkeurige draagbare uurwerken te maken tegen betaalbare kosten. In 1767 publiceerde de “Board of Longitude” een beschrijving van zijn werk in “The Principles of Mr. Harrison’s time-keeper”. Een Franse expeditie onder leiding van Charles-François-César Le Tellier de Montmirail verrichtte de eerste meting van de lengtegraad met behulp van zeechronometers aan boord van de Aurore in 1767.

Moderne ontwikkelingEdit

Pierre Le Roy marine chronometer, 1766, gefotografeerd in het Musée des Arts et Métiers in Parijs

In Frankrijk vond Pierre Le Roy in 1748 het echappement met slagpin uit dat kenmerkend is voor moderne chronometers. In 1766 ontwierp hij een revolutionaire chronometer waarin het echappement, de temperatuurgecompenseerde balans en de isochrone balansveer waren opgenomen: Harrison toonde de mogelijkheid om een betrouwbare chronometer op zee te hebben, maar deze ontwikkelingen van Le Roy worden door Rupert Gould beschouwd als de basis van de moderne chronometer. De vernieuwingen van Le Roy maakten van de chronometer een veel nauwkeuriger stuk dan was voorzien.

Harrison’s Chronometer H5 uit 1772, nu te zien in het Science Museum, Londen

Ferdinand Berthoud in Frankrijk, evenals Thomas Mudge in Groot-Brittannië hebben ook met succes maritieme tijdmeters gemaakt. Hoewel geen van hen eenvoudig was, bewezen ze dat Harrisons ontwerp niet het enige antwoord op het probleem was. De grootste stappen in de richting van praktische bruikbaarheid kwamen van de hand van Thomas Earnshaw en John Arnold, die in 1780 vereenvoudigde, losse, “veerontspanners” ontwikkelden en patenteerden, de temperatuurcompensatie naar de balans verplaatsten en het ontwerp en de fabricage van balansveren verbeterden. Deze combinatie van innovaties vormde de basis voor marinechronometers tot aan het elektronische tijdperk.

Ferdinand Berthoud chronometer no. 24 (1782), tentoongesteld in het Musée des Arts et Métiers, Parijs

De nieuwe technologie was aanvankelijk zo duur dat niet alle schepen chronometers aan boord hadden, zoals wordt geïllustreerd door de noodlottige laatste reis van de Oost-Indiëvaarder Arniston, die schipbreuk leed met het verlies van 372 levens. Tegen 1825 begon de Royal Navy echter haar schepen routinematig van chronometers te voorzien.

Het was in die tijd gebruikelijk dat schepen een tijdbol, zoals die van het Royal Observatory, Greenwich, observeerden om hun chronometers te controleren voordat zij op een lange reis vertrokken. Elke dag gingen schepen kort voor anker in de Theems bij Greenwich, wachtend tot de bal van het observatorium precies om 13.00 uur zou vallen. Deze praktijk was voor een deel verantwoordelijk voor de latere goedkeuring van Greenwich Mean Time als internationale standaard. (De tijdbollen werden rond 1920 overbodig door de invoering van de radiotijdseinen, die zelf grotendeels zijn vervangen door GPS-tijd). Naast het instellen van de tijd voor het vertrek van een reis, werden de chronometers van schepen ook routinematig gecontroleerd op nauwkeurigheid door het uitvoeren van maan- of zonnewaarnemingen. Bij normaal gebruik werd de chronometer op een beschutte plaats benedendeks gemonteerd om beschadiging en blootstelling aan de elementen te voorkomen. Zeelieden gebruikten de chronometer om een zogenaamd hack-horloge in te stellen, dat aan dek werd gedragen om de astronomische waarnemingen te doen. Hoewel het veel minder nauwkeurig (en duur) was dan de chronometer, voldeed het stukhorloge gedurende een korte periode na het instellen ervan (d.w.z. lang genoeg om de waarnemingen te doen).

Hoewel de industriële productiemethoden in het midden van de 19e eeuw een revolutie in de horlogerie begonnen teweeg te brengen, bleef de vervaardiging van chronometers veel langer een ambachtelijke aangelegenheid. Rond de eeuwwisseling van de 20ste eeuw maakten Zwitserse makers zoals Ulysse Nardin grote stappen in de richting van de integratie van moderne productiemethoden en het gebruik van volledig uitwisselbare onderdelen, maar het was pas met het begin van de Tweede Wereldoorlog dat de Hamilton Watch Company in de Verenigde Staten het proces van massaproductie perfectioneerde, waardoor het duizenden van zijn Hamilton Model 21 en Model 22 chronometers van de Tweede Wereldoorlog kon produceren voor de marine van de Verenigde Staten & leger en andere geallieerde marines. Ondanks het succes van Hamilton zijn de op de oude manier gemaakte chronometers in het tijdperk van de mechanische tijdmeters nooit van de markt verdwenen. Thomas Mercer Chronometers is een van de bedrijven die ze nog steeds maken.

Zonder de nauwkeurigheid van de chronometers en de navigatieprestaties die ze mogelijk maakten, zou het overwicht van de Royal Navy, en bij uitbreiding dat van het Britse Rijk, misschien niet zo overweldigend zijn geweest; de vorming van het rijk door oorlogen en de verovering van kolonies in het buitenland vond plaats in een periode waarin Britse schepen dankzij de chronometer over betrouwbare navigatie beschikten, terwijl hun Portugese, Nederlandse en Franse tegenstanders dat niet hadden. Een voorbeeld: de Fransen waren eerder dan Groot-Brittannië gevestigd in India en andere plaatsen, maar werden in de Zevenjarige Oorlog door zeemachten verslagen.

De meest complete internationale verzameling van zeechronometers, inclusief Harrison’s H1 tot H4, bevindt zich in het Royal Observatory, Greenwich, in Londen, UK.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *